Natriumhydroxid

Grundstoff und Kenndaten

Natriumhydroxid (NaOH), auch Ätznatron oder kaustisches Soda genannt, ist ein weißer, geruchloser und hygroskopischer Feststoff. Hygroskopisch bedeutet, dass er Feuchtigkeit aus der Luft aufnimmt. Seine wässrige Lösung heißt Natronlauge. Mit einer Weltproduktion von 60 Millionen Tonnen im Jahr 2010 gehört Natriumhydroxid zu den wichtigsten chemischen Grundstoffen; gehandelt wird es überwiegend als Natronlauge.

Die molare Masse beträgt 39,997 g·mol⁻¹, die Dichte des Feststoffs 2,13 g·cm⁻³ und die Dichte der Schmelze bei 350 °C 1,77 g·cm⁻³. Natriumhydroxid schmilzt bei 323 °C und siedet bei 1390 °C. Bei 20 °C lösen sich 1090 g·l⁻¹ in Wasser.

Natriumhydroxid gehört zu den stärksten Basen und ist stark ätzend. Es kann Metalle angreifen und schwere Verätzungen verursachen. Der Schweizer MAK-Wert beträgt 2 mg·m⁻³, gemessen als einatembarer Staub.

Herstellung und Elektrolyse

Im Labor kann Natriumhydroxid durch Kaustifizierung hergestellt werden. Dabei reagieren Natriumcarbonat und Calciumhydroxid:

Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → 2 NaOH + CaCO₃

Das schwer lösliche Calciumcarbonat wird abfiltriert; das gut lösliche Natriumhydroxid bleibt im Filtrat. Dieses früher großtechnisch eingesetzte Verfahren ist wieder von Interesse.

Eine weitere Möglichkeit ist die stark exotherme, also viel Wärme freisetzende Reaktion von elementarem Natrium mit Wasser. Es entstehen Natronlauge und Wasserstoff:

2 Na + 2 H₂O → 2 NaOH + H₂

Dieser Versuch wird im Unterricht häufig verwendet, um die Reaktivität der Alkalimetalle mit Wasser zu zeigen. Durch Eindampfen der Natronlauge erhält man festes Natriumhydroxid: NaOH(aq) → NaOH(s).

Industriell entsteht Natriumhydroxid hauptsächlich bei der Chloralkali-Elektrolyse von Natriumchlorid. Elektrolyse bezeichnet eine durch elektrischen Strom erzwungene chemische Reaktion:

2 NaCl + 2 H₂O → Cl₂ + H₂ + 2 NaOH

Dabei werden Natronlauge, Chlorgas und Wasserstoff gebildet. Verwendet werden das Amalgam-Verfahren, das Diaphragma-Verfahren oder das Membranverfahren. Anschließende Reinigungs- und Aufkonzentrierungsschritte sind nötig, um wasserfreies Natriumhydroxid zu gewinnen. Da die Chlornachfrage seit den 1980er Jahren stagniert, reicht die als Nebenprodukt erzeugte Natronlauge nicht mehr aus, um den Weltbedarf vollständig zu decken.

Lösung und Kristallstruktur

Natriumhydroxid löst sich sehr gut in Wasser. Wegen der Lösungsenthalpie von −44,4 kJ/mol wird dabei viel Wärme frei. Es entsteht stark alkalische Natronlauge; bei einer Stoffmengenkonzentration c = 1 mol/l beträgt ihr pH-Wert 14. In wässriger Lösung ist Natriumhydroxid grundsätzlich vollständig in Natrium-Ionen Na⁺ und Hydroxid-Ionen OH⁻ dissoziiert. Bei höheren Konzentrationen schränken jedoch die Anziehungskräfte zwischen den Ionen deren freie Beweglichkeit ein. Deshalb erscheint eine Normallösung mit 40 g Natriumhydroxid je Liter zu etwa 78 %, eine 0,1-n-Lösung zu etwa 90 % dissoziiert.

Wasserfreies Natriumhydroxid besitzt zwischen Raumtemperatur und Schmelzpunkt zwei Modifikationen, also unterschiedliche Kristallformen. Unter 299,6 °C liegt die α-Modifikation mit orthorhombischer Kristallstruktur und der Raumgruppe Cmcm vor. Oberhalb davon bildet sich die weniger symmetrische β-Modifikation mit monokliner Struktur und der Raumgruppe P2₁/m. Die Umwandlung erfolgt durch eine Verschiebung von Schichten; die Doppelschichtstruktur aus Natrium und Sauerstoff bleibt erhalten.

Natriumhydroxid bildet außerdem mehrere Hydrate, also Kristalle mit gebundenem Wasser. Bekannt sind Mono-, Di-, 3,5-, Tetra-, Penta- und Heptahydrat. Das Monohydrat schmilzt bei 64,3 °C, das 3,5-Hydrat bei 15,6 °C.

Typische Reaktionen und Lagerung

An der Luft reagiert Natriumhydroxid mit Kohlenstoffdioxid zu Natriumhydrogencarbonat oder Natriumcarbonat:

NaOH + CO₂ → NaHCO₃

2 NaOH + CO₂ → Na₂CO₃ + H₂O

Deshalb wird der Feststoff luftdicht aufbewahrt. Seine Fähigkeit, Kohlenstoffdioxid zu binden, wird in Atemkalk genutzt. Da Natriumhydroxid zugleich Wasserdampf aus der Luft bindet, kann es zusammen mit einem Trocknungsmittel gelagert werden.

Im Labor lässt sich Ammoniak durch eine Säure-Base-Reaktion von Natriumhydroxid mit Ammoniumchlorid herstellen:

NaOH + NH₄Cl → NH₃ + NaCl + H₂O

Natronlauge reagiert mit Aluminium zu Aluminiumnatriumdioxid und Wasserstoff:

2 Al + 2 NaOH + 2 H₂O → 2 NaAlO₂ + 3 H₂

Konzentrierte Lösungen lösen auch Zink und Blei; Eisen reagiert erst ab 500 °C. Mit Säuren bildet Natriumhydroxid Salze. Dabei kann so viel Wärme entstehen, dass eine explosionsartige Reaktion möglich ist, beispielsweise wenn konzentrierte Schwefelsäure auf gepulvertes Natriumhydroxid tropft.

Handelsform und Verwendung

Festes Natriumhydroxid wird als kleine Kügelchen oder Plätzchen luftdicht in Kunststoffbehältern verkauft. Meist wird es jedoch als Natronlauge verwendet.

Zu den wichtigsten Anwendungen gehören:

• die Synthese von Chemikalien wie Ameisensäure, Natriumhypochlorit, Natriumphosphat und Natriumsulfid sowie die Herstellung von Natronseifen;
• die Neutralisation von Säuren in chemischen Prozessen;
• der Aufschluss von Bauxit und anderen Erzen, etwa im Bayer-Verfahren zur Aluminiumherstellung;
• das Entfernen alter Farbe, die Regenerierung von Gummi und Ionentauschern, die Merzerisation von Baumwolle und die Gewinnung von Zellstoff;
• Reinigungsarbeiten in der Lebensmittelindustrie, Landwirtschaft, Käserei und Imkerei, beispielsweise an Flaschen, Edelstahltanks, Melkmaschinen und Bienenbeuten;
• das Entfernen von Obst- und Gemüseschalen, das Einlegen von Oliven und die Herstellung von Laugengebäck. Dort ist Natriumhydroxid als Lebensmittelzusatzstoff E 524 für die braune Färbung und den „seifigen“ Geschmack verantwortlich;
• die Umwandlung saurer, schwer löslicher Arzneistoffe wie Hexobarbital, Isotretinoin und Ketorolac in besser wasserlösliche Natriumsalze;
• das Entwickeln fotobeschichteter Leiterplatten nach der Belichtung mit Ultraviolettstrahlung.

In Abflussreinigern ist festes Natriumhydroxid häufig mit Aluminiumspänen gemischt. Nach Wasserzugabe entstehen Wärme und Wasserstoff. Die starke Base löst Fette und Proteine durch Verseifung. Heiße Natronlauge kann auch angebrannte Rückstände in Kochtöpfen lösen, darf aber nicht für Aluminiumtöpfe verwendet werden, weil sie Aluminium angreift. Weitere Haushaltsanwendungen sind Backofen- und Topfreiniger sowie aggressive Fettlöser.

Zusammen mit Calciumhydroxid dient Natriumhydroxid als Atemkalk in Narkosegeräten und Kreislauftauchgeräten, wo es Kohlenstoffdioxid bindet.